第10卷第2期 2010年4月
过程工程学报
The Chinese Jourmal of Process Engineering
不同中空纤维膜组件对甲烷和氧气无泡曝气过程的影响
段长虹，罗明芳"，杨程，江皓，邢新会？
(1.中国科学院研究生院材料科学与光电技术学院，北京100049：2.清华大学化学工程系，北京100084)
Vol.10 No.2 Apr.2010
摘要：为探索无泡膜曝气用于甲烷高效、安全生物转化的可能性，测试了3种中空纤维膜组件对甲烷和氧气传质速牵的影响.所测膜组件分别为致密硅胶中空纤维膜(A)、疏水性微孔聚内烯中空纤维膜(B)及亲水性微孔聚醚砜中空纤维膜(C).结果表明，膜组件A和B可以同时强化甲烷和氧气的气液传质过程，对甲烷进行尤泡暇气，两者的体积甲烷传质系数(KLa)相近，分别为3.19和3.78h-"，约为传统鼓泡曝气的3倍.对空气进行无泡曝气时，膜组件B的Kta
值(溶氧)为61.1h-"，是A的2.6倍，是传统鼓泡噪气的24.8倍关键调：甲烧：气液传质：无泡暖气：氧气：中空纤维膜
中图分类号：TQ028.8 1前言
文献标识码：A
文章编号：1009-606X(2010)02-0395-05
他气体的研究非常少.Modin等18]和Clapp等[9]采用硅胶
甲烷是天然气、甲烷水合物、沼气及煤矿瓦斯气等
的主要成分，储量丰富且可再生，实现中烧高效、低成本利用对解决能源危机和环境污染问题具有重要意义，自然界中存在一类好氧细菌，称为甲烷氧化菌，能以甲烷作为唯一的碳源和能源进行生长和代谢。甲烷氧化菌具有潜在的应用前景[I-3)，利用其代谢特性可用于转化申烷生产甲醇或聚轻基丁酸酯，或催化丙烯生产环氧丙烧及氯代烃污染的土壤及地下水的生物修复.目前限制甲烷氧化菌工业应用的主要瓶颈问题在于甲烷氧化菌培养困难，发酵和催化过程成本高，原因之一是甲烷氧化菌的底物一甲烷和氧气在水中的溶解度较低，气液传质速率慢，从而限制其生长.Han等i4)以5%石蜡油作为甲烷传递体，在5L发酵罐中培养Methylosinus trichosporiumOB3b，干细胞浓度达14g/L，是对照(不加石蜡油)的7倍.另外，甲烷/氧混合气具有易燃易爆性，其安全供气技术对甲烷氧化菌的大规模制备及利用甲烷氧化菌作为生物催化剂催化甲烷生产甲醇的工业化应用具有重要意义
无泡膜曝气可实现难溶气体的高效利用及低成本输送，在废水生物处理工艺中备受关注[56]，实现尤泡曝气的关键是膜材料及气相操作压力.目前采用的膜材料主要有两种：一种是致密性气体渗透性膜，如硅胶膜；另一种是微孔膜(孔径通常小于0.2μm)，如聚丙烯膜、聚四氯乙烯膜、聚偏氟乙烯膜和聚醛膜等，气相操作压力是无泡曙气的关键因素，同时也对供气效果产生重要影响7，目前无泡膜曝气研究主要集中于供氧，对其
管进行甲烷、氧气等混合气体无泡膜气，分别进行了甲烷好氧氧化偶联脱氮及三氯乙烯共代谢研究，结果表明，采用甲烷氧化菌膜曝气反应器去除单位硝酸盐所需的甲烷量仅为悬浮体系的1/4，共代谢三氯乙烯时甲烷的利用率提高了7倍，与硅胶管膜相比，中空纤维膜具有更大的比表面积，对于强化申烷传质应具有更大的优势，但目前还没有相关报道
本工作采用致密硅胶中空纤维膜、疏水性微孔聚丙烯中空纤维膜及亲水性微孔聚醚砜中空纤维膜组件进行甲烷和氧气的无泡曝气研究，以期为甲烷氧化菌的高效、安全培养及甲烷高效生物转化生产甲醇等研发提供基础数据，
2实验 2.1材料与试剂
膜组件A的材料为致密硅胶(Silicone)中空纤维膜，由日本NagayanagiIndustrial公司赠送.膜组件B的材料为疏水性微孔聚丙烯(Polypropylene,PP)中空纤维膜，由山东招金膜天有限责任公司赠送，膜组件由北京特里高膜技术有限公司加工.膜组件C的材料为亲水性微孔聚醛砜(Polyethersulfone，PES)中空纤维膜，购自天津膜天膜科技有限公司：膜组件参数见表1.
甲烷(99.9%)购自北京市海科元昌实用气体有限责任公司，氮气(99.999%)和压缩空气购自北京千禧京城气
体销售中心。其余试剂均为市售分析纯 2.2实验装置
无泡眼气膜实验装置如图1所示，由气体钢瓶、膜
收稿日期：20100125，修回日期：20100223
基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：20606036;20976186)：中国科学院优秀博士学位论文、院长奖获得者科研启动专项资金资助项目
作者篇介：段长虹(1984-)，男，四川省平品县人，硕士研究生，应用化学专业；通讯联系人，罗明芳，Tel:010-82556702,E-mail:luomf@gucas.ac.cn
邢新会，Tel: 010-62794771,E-mail: xhxing@tsinghua.edu.cn 万方数据